李慶斌， 張愛明， 劉麟， 何光清， 戴志輝， 曹剛

(湖南天雁機械有限責(zé)任公司， 湖南 衡陽 421005)

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葉輪出口結(jié)構(gòu)形式對壓氣機性能及軸向載荷影響分析

李慶斌， 張愛明， 劉麟， 何光清， 戴志輝， 曹剛

(湖南天雁機械有限責(zé)任公司， 湖南 衡陽 421005)

采用Numeca數(shù)值分析軟件分析了3種不同出口結(jié)構(gòu)形式的壓氣機葉輪性能，等出口大徑情況下徑流葉輪壓比最高，斜流葉輪壓比最低，效率方面則是半斜流葉輪最高。通過壓氣機流場分析發(fā)現(xiàn)，各轉(zhuǎn)速小流量下，徑流葉輪在葉輪出口輪緣一側(cè)產(chǎn)生大范圍的回流,斜流葉輪則在輪轂一側(cè)產(chǎn)生較大范圍的回流，而半斜流葉輪兼有徑流葉輪和斜流葉輪設(shè)計特點，輪轂和輪緣兩側(cè)的流場均得到明顯改善。在堵塞流量附近工況點，半斜流葉輪和斜流葉輪出口相對馬赫數(shù)較徑流葉輪略小，利于堵塞流量的增加。通過軸向載荷分析發(fā)現(xiàn)，由于斜流葉輪和半斜流葉輪相比等直徑的徑流葉輪壓比較低，導(dǎo)致由壓氣機輪背指向壓氣機進口的軸向力減小，使得整個增壓器轉(zhuǎn)軸有向渦端運動的趨勢，由此容易導(dǎo)致止推軸承壓端磨損嚴重；與此同時，轉(zhuǎn)軸移動也會使得葉輪與壓氣機蝸殼的軸向間隙增大，導(dǎo)致半斜流葉輪與斜流葉輪效率降低。

壓氣機； 葉輪； 軸向載荷； 流動分布

渦輪增壓器技術(shù)已經(jīng)在柴油機上得到了廣泛應(yīng)用，并且正向汽油機應(yīng)用和推廣，渦輪增壓器已成為增壓發(fā)動機的關(guān)鍵部件，用戶對發(fā)動機匹配渦輪增壓器后的動力性能、經(jīng)濟性能、環(huán)保性能等參數(shù)指標要求越來越高。壓氣機作為增壓器的核心部件，其效率直接影響發(fā)動機的進氣參數(shù)，進而影響整個發(fā)動機的性能，因此，很有必要對壓氣機性能進行研究。國內(nèi)外對葉輪出口結(jié)構(gòu)的研究主要是改變?nèi)~輪葉型，據(jù)文獻[1-4]報道，對葉輪出口尾緣采用4:1橢圓形狀后，與葉輪出口為鈍角相比，降低了葉輪出口尾緣的激波強度，尤其是葉輪根部最大厚度位置的強度，提高了壓氣機效率，但穩(wěn)定性降低。文獻[5]報道，對葉輪出口采用后彎結(jié)構(gòu)能減小葉片吸力面和壓力面之間的周向壓力梯度，降低二次流損失和間隙損失，使葉輪出口速度場趨于均勻，改善了擴壓器中的流動，使得壓氣機效率在徑流葉輪基礎(chǔ)上提高2%～3%，穩(wěn)態(tài)流量范圍擴大10%～40%。文獻[6-9]在原葉輪直徑基礎(chǔ)上對葉輪出口輪轂背板延長10%，由于葉輪出口延長段與葉輪同時旋轉(zhuǎn)，充當了一部分擴壓器作用，使得剪切損失不再與絕對速度成比例，而是與相對速度成比例，而相對速度更傾向于徑向方向，且幅值小于絕對速度，最終壓氣機靜壓升提高，效率提升。文獻[10-12]對比了葉輪出口前傾角對壓氣機性能影響，相同轉(zhuǎn)速下，相較于后彎葉輪，前傾后彎葉輪喘振流量較小，壓比略低，效率略高，在葉輪出口附近輪轂處不存在明顯的低速區(qū)。

通過上述相關(guān)研究可知，葉輪出口對壓氣機影響較大。本研究是在同一葉輪毛坯的基礎(chǔ)上，不改變?nèi)~輪葉型，僅對葉輪出口采用不同的機加工藝得到3種不同出口結(jié)構(gòu)的葉輪(在徑流及斜流兩種葉輪基礎(chǔ)上，設(shè)計出一種半斜流式壓氣機葉輪，該半斜式葉輪既保持了徑流葉輪具有一條直邊的設(shè)計特點，又兼顧了斜流葉輪具有一定傾斜角的斜邊設(shè)計特點),對這3種葉輪的性能和軸向載荷影響進行了研究。

1 網(wǎng)格模型及計算

所研究的3種葉輪出口結(jié)構(gòu)形式見圖1，3種葉輪大徑保持一致，除出口尺寸略有差異外，其余機加尺寸相同。因為葉輪出口不同，葉輪輪背間隙內(nèi)的流體狀態(tài)也會有所區(qū)別，為了保證分析的準確性，對3種不同結(jié)構(gòu)形式葉輪添加了輪背間隙網(wǎng)格，如圖2和圖3所示，相關(guān)網(wǎng)格模型結(jié)構(gòu)可參考文獻[13-14]。本研究采用FINE/Turbo軟件包，求解三維雷諾平均N-S方程組來分析增壓器壓氣機性能。壓氣機葉輪采用主葉片和分流葉片相間結(jié)構(gòu)，葉片數(shù)各為5，取單個通道進行模擬，通道邊界設(shè)置為周期性邊界條件。結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的使用保證了整體網(wǎng)格的質(zhì)量，對近壁處的網(wǎng)格進行加密，葉輪及蝸殼拓撲第一層網(wǎng)格高度均為0.001 mm，葉輪間隙處設(shè)置17個網(wǎng)格節(jié)點，為使網(wǎng)格滿足二方程湍流模型計算要求，y+值控制在1～7之間。最終，葉輪加輪背網(wǎng)格數(shù)目為1 997 533。考慮到對比分析的有效性，3種葉輪網(wǎng)格拓撲節(jié)點數(shù)保持一致，網(wǎng)格總數(shù)保持一致。

圖1 葉輪出口結(jié)構(gòu)形式

圖2 葉輪二維網(wǎng)格模型

圖3 葉輪和輪背網(wǎng)格三維模型

葉輪輪背間隙流域軸端處網(wǎng)格簡化為固壁處理，不設(shè)置進口或出口邊界條件。對壓氣機進口施加標況下絕對總壓、絕對總溫以及速度向量方向等邊界條件，壓氣機出口施加質(zhì)量流量邊界條件。葉輪固體壁面取不滲透、無滑移、絕熱的邊界條件，使通過固體壁面的質(zhì)量通量、動量通量及能量通量為0。判斷計算是否收斂，通常以下述幾個標準作為參考：全局殘差下降3個量級以上；收斂準則最重要的一個參數(shù)是進出口質(zhì)量流量，其相對誤差應(yīng)小于0.02%，且流量不再發(fā)生變化；對于定常計算，總體性能參數(shù)(效率、壓比、扭矩等)都應(yīng)當恒定，而不再隨迭代步數(shù)增加而變化。

采用模擬方法對壓氣機進行模擬并與試驗值[15]進行對比，模擬結(jié)果與試驗測試值的變化趨勢是一致的(見圖4)。

圖4 壓比模擬與試驗對比曲線

2 結(jié)果分析

2.1 性能分析

對徑流及斜流葉輪在7×104，12.2×104及16.6×104r/min 轉(zhuǎn)速下的性能進行了模擬計算。圖5示出壓比分布，可以看出各轉(zhuǎn)速下徑流葉輪壓比最高，半斜流葉輪次之，斜流葉輪壓比最低；效率分布見圖6，各轉(zhuǎn)速下半斜流葉輪效率最高，在各轉(zhuǎn)速的中、小流量下，半斜流葉輪較徑流葉輪高出2%左右，有利于發(fā)動機低速性能的提升。

圖5 葉輪壓比模擬值對比

圖6 葉輪效率模擬值對比

2.2 流場分析

2.2.1 近喘振點工況

由于不同出口形式的壓氣機葉輪其性能差異主要體現(xiàn)在各轉(zhuǎn)速中、小流量工況點，對這些工況點進行了流場分析。圖7分別示出3種葉輪在16.6×104r/min 下小流量近喘振點下的相對速度流線分布，可以看出：小流量下徑流葉輪在輪緣一側(cè)出現(xiàn)了較大范圍的回流；斜流葉輪在輪轂一側(cè)出現(xiàn)了較大范圍的回流，但在輪緣一側(cè)流場得到較好改善；而兼顧徑流和斜流特點的半斜流葉輪通過直邊消除了輪轂一側(cè)的回流，通過斜邊對低速流體做功，提高了低能流體的動能，由此大大削弱了輪緣一側(cè)的回流，回流減小，相應(yīng)的流體損失降低。圖8示出葉輪展向90%處熵分布，徑流葉輪由于回流較強，熵值較大。可見，綜合徑流和斜流設(shè)計特點的半斜流葉輪能有效改善葉輪近喘振工況出口流場，有效地改善了壓氣機性能。

圖7 近喘振點工況相對速度流線分布

圖8 近喘振工況葉輪展向90%處熵分布

2.2.2 最高效率點附近工況

對16.6×104r/min 峰值效率點工況進行分析發(fā)現(xiàn)，由于峰值效率點工況流量適當，在擴壓器中沒有出現(xiàn)回流，3種結(jié)構(gòu)平均子午面熵分布云圖差異不大(見圖9)?？紤]到3種結(jié)構(gòu)不同之處在于輪轂周圍區(qū)域缺失，對靠近輪轂一側(cè)展向25%處S2流面流場進行分析。如圖10所示，半斜流葉輪在出口處熵值較徑流葉輪小，這可能與采用半斜流葉輪后，葉輪輪轂變短，輪緣與輪轂長度差值變小，能適當改善葉輪出口輪緣與輪轂之間流場的均勻性有關(guān)。

圖9 峰值效率點平均子午面熵分布

圖10 展向25%處S2流面熵分布

2.2.3 堵塞點附近工況

圖11示出堵塞工況點附近葉輪相對馬赫數(shù)分布，可以看出，由于斜流葉輪與半斜流葉輪出口特殊的結(jié)構(gòu)特點，葉輪出口流通面積較徑流葉輪增大，等流量工況下，其流道內(nèi)相對馬赫數(shù)要略低一些，其堵塞流量相應(yīng)也能更大一些，因此在大流量工況下其效率值下降較慢，比徑流葉輪略高。

圖11 不同出口結(jié)構(gòu)葉輪相對馬赫數(shù)分布

2.3 軸向力分析

3種葉輪軸向力的模擬數(shù)值見圖12，圖中正值代表軸向力由葉輪輪背指向葉輪進口方向，可以看出，各轉(zhuǎn)速下除個別工況點外，徑流葉輪軸向力數(shù)值較大，即徑流葉輪由葉輪輪背指向葉輪進口方向的軸向力要較斜流葉輪和半斜流葉輪更大，尤其在高轉(zhuǎn)速下，徑流葉輪軸向力數(shù)值要比斜流葉輪增大15%以上。此外，從計算結(jié)果還可以發(fā)現(xiàn)，軸向力的數(shù)值大小與壓力存在著非常緊密的聯(lián)系，壓力較大時軸向力更大。

圖12 葉輪軸向力模擬值對比

由于徑流葉輪較斜流葉輪和半斜流葉輪由輪背指向壓氣機進口(即渦端指向壓端)的軸向力更大一些，因此若失效增壓器采用的是徑流葉輪，就可以采用同毛坯、等直徑的斜流葉輪或半斜流葉輪進行替換，以達到平衡軸向力的目的。相反，當增壓器止推軸承壓端發(fā)生失效時，表明增壓器軸向力由壓端指向渦端，壓氣機葉輪輪背的軸向力相對較小，若采用的是斜流葉輪或半斜流葉輪，則可以用等直徑的徑流葉輪替換，以平衡軸向力。

3 葉輪出口結(jié)構(gòu)對壓氣機性能試驗的影響

按照上述結(jié)論，由于半斜流葉輪的壓比大于斜流葉輪，小于等大徑的徑流葉輪，因此半斜流葉輪指向壓氣機葉輪進口的軸向力大于斜流葉輪，小于徑流葉輪。在徑流葉輪基礎(chǔ)上改成等大徑的斜流葉輪后，由輪背指向壓氣機進口的軸向力減小，轉(zhuǎn)軸在軸向合力的驅(qū)動下更傾向于向增壓器渦端運動，轉(zhuǎn)軸帶動葉輪一起向渦端移動，造成葉輪與壓殼之間的軸向間隙(見圖13)略有增大。增壓器設(shè)計時轉(zhuǎn)軸軸向間隙在0.3～0.7 mm范圍變化，軸向間隙增大對壓氣機效率的影響見圖14。保持徑向間隙0.40 mm不變，當軸向間隙由0.40 mm變?yōu)?.70 mm時，壓氣機不同流量工況點有1.5%～3%的效率損失。

圖13 葉輪間隙示意

圖14 葉輪軸向間隙變化對壓氣機性能的影響

軸向間隙增大后，壓氣機效率將降低，而由于在葉輪模擬計算時，采用等大徑的半斜流葉輪或斜流葉輪是假定葉頂間隙值均為常值，而在實際使用過程中，間隙是變化的，且半斜流葉輪與斜流葉輪的軸向間隙會因軸向力的變化而增大，因此，在壓氣機特性試驗驗證時，半斜流葉輪和斜流葉輪實際的效率值將比模擬值有所降低。

4 結(jié)論

a) 對3種出口結(jié)構(gòu)葉輪采用相同大徑進行分析，結(jié)果表明，徑流葉輪壓比最高，半斜流葉輪次之，斜流葉輪壓比最低；

b) 各轉(zhuǎn)速中小流量下，徑流葉輪在葉輪出口輪緣一側(cè)產(chǎn)生大范圍的回流，斜流葉輪則在輪轂一側(cè)產(chǎn)生較大范圍的回流，但在輪緣一側(cè)流場得到較好改善，半斜流葉輪兼顧徑流葉輪和斜流葉輪設(shè)計特點，既改善了輪轂一側(cè)流場，又使徑流葉輪輪緣一側(cè)流場得到改善；在堵塞流量附近工況點，半斜流葉輪和斜流葉輪出口相對馬赫數(shù)較徑流葉輪略小，利于堵塞流量的增加；

c) 由于斜流葉輪和半斜流葉輪相比等直徑的徑流葉輪壓比較低，導(dǎo)致由壓氣機輪背指向壓氣機進口的軸向力減小，使整個增壓器轉(zhuǎn)軸有向渦端運動的趨勢，由此容易導(dǎo)致止推軸承壓端磨損嚴重，此外，在軸向力的驅(qū)動下，葉輪與壓氣機蝸殼的軸向間隙增大，間隙增大將降低壓氣機效率。

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[編輯: 李建新]

Effects of Impeller Outlet Structure on Compressor Performance and Axial Load

LI Qingbin, ZHANG Aiming， LIU Lin， HE Guangqing, DAI Zhihui， CAO Gang

(Hunan Tyen Machinery Co., Ltd.， Hengyang 421005， China)

The performance of compressor impeller with three kinds of outlet structure was analyzed by using Numeca software. For the same outlet diameters, the radial flow impeller had the highest and lowest pressure ratio respectively, the semi-mixed flow impeller had the highest efficiency. At low massflow point, we can find from the flow field analysis results of compressor that the radial flow impeller outlet exists a wide range of back flow at the shroud corner, the mixed flow impeller outlet find a wide range of back flow at the hub corner,however，the semi-mixed flow impeller has both the characteristics of radial and mixed flow impeller,which improve the flow field at the hub and shroud corner evidently. Close-by choke flow point，the relative mach numeber of mixed flow and semi-mixed impeller outlet is a little smaller than radial flow impeller，which is benefit for choke flow. From the axial load analysis results we can find that the mixed flow and semi-mixed flow impeller have lower pressure ratio than radial flow impeller,which reduce the axial force toward the compressor inlet,so the turbocharger shaft has the tendency to move to the turbine end,lead to the thrust bearing of compressor end easier to failure,meanwhile,the aixl clearance between impeller and volute will get wider when the shaft moving to turbine end, reduce the efficiency of mixed flow and semi-mixed flow impeller on test.

compressor; impeller; axial load; flow distribution

2015-05-16;

2016-01-08

湖南省科技重大專項(2014FJ1013)

李慶斌(1985—)，男，高級工程師，碩士，研究方向為增壓器氣動分析及優(yōu)化；liqingbin1985@163.com。

10.3969/j.issn.1001-2222.2016.01.005

TK411.8

B

1001-2222(2016)01-0028-05